Name: 経頭蓋磁気刺激、電、モーションキャプチャ、およびバーチャルリアリティを用いたヒトモータ制御研究のための多機能のセットアップ (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-09-03T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 9 s
Description: 学ぶ 経頭蓋磁気刺激、筋電図、3Dモーションキャプチャを同期させる手法。バーチャルリアリティを用いてヒトの自然な運動における神経筋制御を研究し、生体力学の複雑な課題に対応する包括的データ収集を実現します。

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この作品は、NIHの助成金P20のGM109098、NSFとWVU ADVANCEスポンサーシッププログラム（VG）、およびWVU部門スタートアップ資金によってサポートされていました。

実験に関わるすべての参加者は、ウェストバージニア大学施設内倫理委員会（IRB）により承認インフォームドコンセントの手続きを経ます。 1.システム全体の特性、設計、および一般的実験タスク注：完全なセットアップは、次の主要コンポーネントで構成されていますEMG機器や関連するデジタル集録（DAQ）機器;モーションキャプチャシステム（このプロトコルは、アクティブLEDシステムを組み込みました）。 8の字コイルと定位ローカライズ機器とのTMS部と、 VRヘッドセットと関連するコンピュータとソフトウェア;カスタム同期回路。 図1は、プロトコルコンポーネント間の接続の概要を説明します。 <ol><li>システムコンポーネントの接続<ol><li>メインアンプにEMGプリアンプを接続します。 </li><li> DAQ記録装置入力BNCを使用してブロックまたは類似の接続にEMGアンプの出力を接続しますション。 </li><li>データ収集スクリプト（補足ファイル）を実行します専用のコンピュータにDAQの録音機器を接続します。 </li><li> （詳細については、次のセクションを参照）、カスタム回路部にVR制御コンピュータのパラレル出力を接続します。 </li><li> EMG信号の接続と一緒にDAQの記録ブロックにカスタム回路からの出力をトリガ同期とモーションキャプチャを接続します。 </li><li>スプリットモーションキャプチャ・トリガとEMG DAQ機器の「アナログ入力スタート」ポートだけでなく、モーションキャプチャ装置を制御するコンピュータ上のトリガ接続に接続します。 注：記載された装置（モーションキャプチャとEMG）に対するそれぞれのデータ収集の流れの始まりの間の時間差は160〜190ミリ秒の範囲であることができます。この時間差は、このプロトコルに記載された同期回路の設計を動機付け、おそらくこれらの2つのシステム間でソフトウェアとハ​​ードウェアの違いによって引き起こされます。 </li> &lt;TMSコントロールユニットのBNC入力トリガにLI&gt;カスタム回路部に接続TMSトリガーポート。 </li><li>ベンダー提供のソフトウェアおよび物理的なネットワーク接続を使用してVRとモーションキャプチャコンピュータ間のネットワーク接続を確立します。 </li><li> VRコンピュータにVRヘッドセットを接続し、参加者に仮想環境を表示するスクリプト/プログラムと操作性を確保します。 </li></ol></li></ol><img alt="図1" src="/files/ftp_upload/52906/52906fig1.jpg" /> 図1：全体のセットアップの接続このレイアウトは、我々のシステムの構成要素間の一般的な接続を示しています。同期回路は、より詳細には、テキストの他の箇所に記載されています。青色のトレースは、モーションキャプチャおよびEMGデータストリームの両方を起動信号に対応します。このイベントは、このプロトコルで説明した装置を使用して、最大190ミリ秒の時間遅延の原因です。赤のトレースは、VR-開始synchronizatに対応同時にモーションキャプチャとEMGシステムによって記録され、その後、各データストリームの時間的な位置合わせに使用されるイオンイベント。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52906/52906fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 2.システム統合と同期の一般的な詳細注意：このプロトコルにおける別個のデータ収集システム（モーションキャプチャ及びEMG）の同期は、全ての記録ストリームに共通のイベント信号を使用することにより達成されます。一般的なイベントを使用して、すべての信号は、時間的に（上向きにこのプロトコルで装置を使用して190ミリ秒の）実時間記録の不一致を最小限にするために、データ収集後に再調整することができます。このプロトコルでは、一般的な信号は、パラレルポート信号としてVRシステムに由来します。コモン信号は、別のデータの同期を可能とする回路にルーティングされますEMG信号を、同時にLEDモーションキャプチャをオフにすることで、直接記録を介してストリーミングします。回路は、他の場所9記載の回路と同様の電子部品を構築するための基本的なツールや技術を用いて構築されます。 <ol><li>デザイン、レイアウト、および同期回路の構成<ol><li>機器制御ユニットの任意のアナログのTTLベースのトリガーメカニズム（例えば、TMS、モーションキャプチャ）を特定し、そのようなTTLパルス方向（正/負）と振幅などの要件をトリガーに精通。アナログトリガメカニズムは、多くの場合、接続コンポーネントを簡単に共通の「BNC」の同軸コネクタを有します。 </li><li>信号同期のために使用するモーションキャプチャシステムに追加のLEDを追加します。ルート同期回路を介してLEDのワイヤ（ 図3）。 </li><li> （ すなわち 、抵抗、静電容量）TURするために必要な電気部品のパラメータを決定しますnは特定の時間のLED同期をオフにします。 T = 1.1 * R1 * C1：回路の同期LEDは、式ではオフになっていた時間の量を表示して下さい。この時間は、実験的な運動の平均持続時間未満であることが示唆されます。例えば、現在の実験は、それぞれ、約1メガオーム一マイクロファラッド定格抵抗とコンデンサを必要としました。 </li><li> 図3に示した概略以下の印刷」protoyping」または「プロジェクト」回路基板に電気部品を接着するために、はんだごてを使用して、一般に入手可能なプラスチック製の「プロジェクト」ボックスに、この回路を囲みます。それはおそらく、BNCコネクタは、このボックスに穴を掘削する必要があります。回路は容易にデスクトップコンピュータから5VのUSB電源で駆動することができます。それは、電源線および接地線を分離するためにUSBケーブルを分解する必要があります。バイパスコンデンサは、また、555への電力を調節するために必要とされるかもしれませんチップ（図3には示されていません）。 </li><li>電気部品間の意図しない半田ブリッジ用の回路基板を検査します。見つかった場合、吸着ツー​​ルではんだを削除するか、はんだを加熱し、機械的にブリッジ接続を削除します。 </li></ol></li></ol><img alt="図2" src="/files/ftp_upload/52906/52906fig2.jpg" /> 図2：試用フローチャートこのフローチャートは、TMS刺激を含む典型的な実験の試行中に発生した刺激と信号イベントの概要を説明します。裁判を通じて発生するパラレル・ポート・コードは、DB25回路図シンボル（水色）に示されています。 <ol start="2"><li>同期の詳細<ol><li>同様のフローチャートを使用して、 図2の装置の個々の部分は、実験の移動の過程でトリガされるべきときを決定します。他の人が同時にトリガすることができるが、例えば、いくつかの機器は、個別に、トリガすることができます。 </lI&gt; <li>トリガーまたは（ 図2に例えば青色のパラレルポートシンボルを）シグナリングを必要とする時点で、パラレルポートを使用し、VRシステムに組み込むための信号ラインを決定します。これは、運動中に指定された時間に、パラレルポート、二進数字を表す各ラインに数値を送信することによって達成されます。パラレルポートベースのシグナリングの詳細については、議論を参照してください。 </li></ol></li></ol><img alt="図3" src="/files/ftp_upload/52906/52906fig3.jpg" /> 図3：同期回路この回路図は、当社の独自の同期回路のレイアウトが表示されます。 NANDゲートのデフォルト出力は、高電圧状態です。この電圧出力は、同期LEDの回路は、ルーティングされるトランジスタのゲートに送られます。このデフォルトの状態が点灯状態でLEDを維持する、回路が閉じてレンダリングします。同期triggeを受信しますRパラレルポート信号（挿入図中赤線）、555デバイスの内部状態は、LED（青色のトレース）を遮断、ハイ状態に出力をレンダリング反転さ。これが発生すると、C1（緑のトレース）の電圧は、LEDを再活性化、555の内部状態をリセット電圧まで構築します。パラレルポート同期トリガ信号を直接TMS入力トリガポートに接続されたBNCコネクタにルーティングされます。注：このトリガ信号の方向は、研究者の特定の機器の要件に応じて（ポジから行く陰性またはその逆に）反転しなければならないことがあります。このトリガ出力の「インバータ」チップの追加が簡単にこのタスクを実行することになる。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52906/52906fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 3.実験方法<ol><li>安全手順とインフォームドコンセント<ol><li> Ensuそのすべての実験手順再治験審査委員会（IRB）によって承認されています。 IRBは、ドキュメントを承認して、すべての手順は、参加者に説明し、インフォームドコンセントを取得。 </li><li>インフォームドコンセントを取得した後、彼らは耳鳴り、てんかんや発作、または発作の上昇リスクに他の条件の家族歴を持っていないように参加者との基本的なTMSの安全審査を実施しています。 </li><li> TMS刺激時には、厳密に聴覚障害を防ぐために保護耳栓を使用する必要があります。 </li></ol></li><li>電コレクション<ol><li>読者の研究の科学的目標に応じて、腕の筋肉は筋電信号を記録する、そこから決定します。調査したこのプロトコルに記載の研究のために、トルクが移動中に、肩と肘で発生します。このように、記録されたEMG信号は、三角筋、胸筋、上腕二頭筋、三頭筋、およびbrachioradとして、これらの2つの関節に作用する主要な表面的な筋肉、からのものでしたialis。 </li><li>一致するコネクタを接続することにより、製造業者の仕様書に従ってアンプ、プリアンプ、センサー線、およびセンサパッドなど、さまざまなEMG機器との間のすべての必要な電気的接続を行ってください。 </li><li>カミソリであり、軽度の研磨剤ゲルを適用することにより、過剰な毛を取り除く、軽くアルコール綿棒でそれを洗浄することにより、各電極部位を準備します。適切な部位の準備には、一貫性の低い電極 - 皮膚インピーダンス値（&lt;10キロオーム）と記録されたEMG信号の高信号対雑音比を確保します。 </li><li>被験者は一般に認められた解剖学的および生体力学的記述10に基づいて、関心の個々の筋肉を分離するために設計されたアイソメトリック収縮を行うことがあります。たとえば、上腕二頭筋を分離するために、肘の課さ拡張に抵抗するために、参加者に依頼してください。 </li><li>被験者は筋肉隔離収縮を行うた後、最も厚い、中央porti以上の差動バイポーラEMG電極を貼ります上、または受け入れられた場所11での各筋の「腹」、。これは、筋線維の最大数のカバレッジを確保し、隣接筋肉間の「クロストーク」を最小限に抑えることができます。 、筋肉に沿って双極電極「最長軸を揃える繊維に平行するようにしてください。 </li><li> （例えばC7の椎骨上の皮膚）機器の仕様に応じてEMGの接地電極を貼付します。 </li><li>録音は、カスタムコンピュータスクリプトによって制御されるDAQ機器を介してEMG信号を増幅しました。現在のプロトコルで使用されるスクリプトは、補助的なファイルとして添付されます。 </li><li> EMGプリアンプにダイヤルを移動することにより、所望のレベルに記録された信号に適用されるゲインを調整します。記録装置（通常は5V）の入力範囲を超えて信号を記録した原因となるゲイン値を避けてください。共通EMG利得値は1,000〜4,000の間です。 </li><li>ステップ3.2.4で行われたものと同様の等尺性収縮を行い、視覚的にEMGのSignaを検査LSは、それらが高品質（ すなわち、高い信号対雑音比）であることを保証します。電極を再配置し、必要に応じて信号利得を変更します。 </li></ol></li><li>モーションキャプチャシステムの準備<ol><li>製造元の指示に従って、ベンダーが提供する命令および装置を使用して、モーショントラッキングカメラのキャリブレーションを行います。 </li><li>テープやその他の包装材を使用して、腕と生体力学モデルの構築に用いられる関心のある他の解剖学的点の関節近くの骨のランドマークにアクティブLEDセンサーを取り付ける：人差し指の末節骨を、半径方向および尺骨茎状突起プロセスが手首で肘、烏口肩峰と肩、胸鎖ノッチ、剣状突起のプロセス、およびC7の棘突起で、肘頭プロセス。仮想環境内のビューポイントを設定したVRヘッドセットに別のLEDを取り付けます。 </li><li>無線ドライバユニットに装着され、ワイヤハーネスに各LEDを接続します。ドライバアンをオンにしますそれと全てのLEDの適切な照明を確保します。 </li><li>離れた被写体から便利な場所にLEDの同期を置きますが、カメラのクリアな視界内。 </li></ol></li><li>経頭蓋磁気刺激定位ローカライゼーション<ol><li>正確なコイルの配置を可能にするために、TMS登録12用に設計されたハードウェアとソフトウェアを調整します。これは、一般に、ナジオン、耳介前点、鼻の先端のような解剖学的ランドマークとの共同登録TMSコイルを必要とします。参加者と刺激コイル間の定位登録は一貫した刺激ローカリゼーションに不可欠です。 </li></ol></li><li> MEPホットスポット局在とMEPのしきい値たプロシージャ<ol><li>刺激8,13,14時の最低閾値と最大振幅のMEPを生成皮質のTMSに敏感な領域を見つけるために、いわゆる「ホットスポット」の技法を実行します。一般的に運動系を研究するための経頭蓋磁気刺激特定の身体の部分（ 例えば、腕 、手）15の移動を制御する皮質領域を刺激することを含みます。 </li><li>較正された定位登録機器および関連ソフトウェアを持つ参加者の頭皮上の理想的な刺激部位の位置を記録します。各場所はソフトウェアで記録された後、同様のMEP応答を探して、スポットを再配置して、再刺激することによって、その正確さを保証します。 </li></ol></li><li>バーチャルリアリティにおける行動タスク<ol><li>実験に使用される行動タスク（例えば到達運動）のパラメータを設計します。現在の研究では、タスクは異なる空間場所に順次配置された仮想ターゲットに到達することです。ターゲットの大きさは、参加者が移動する精度を定義します。参加者は目標のために達するように変化する方向と関節トルクの大きさが誘発されるような動きを設計します。 </li><li>セットアップガイドVR環境製造業者のプロトコルに従って、ヘッドセットとモーショントラッキングシステムと互換性がある商用VRソフトウェアを使用して、行動のタスクを介して被験者。ソフトウェアパッケージの必要な計算リソースおよびプログラミング言語要件に精通。一般的なVRソフトウェアパッケージは、Python、C ++、C＃、およびその他を含む言語でプログラムすることができる能力を持っています。さらに、プログラムのアナログ同期のパラレルポートを介して出力し、興味のある特定のイベントのマーキング（ 図2）。現在の実験では、VRソフトウェアは、タスクの各繰り返しの開始時に、目的のTMS刺激の時間にイベントを出力します。 </li><li>同期回路（ 図3）および/ ​​または一致するコネクタ付きのケーブルを使用して同期する他の機器へのVR出力を接続します。 </li><li> VR行動タスクを実行するために被験者に指示します。現在の研究では、VR環境がありました参加者は、球状のターゲットの配列を見ているヘッドマウントディスプレイを使用して提示。ターゲット（色、 位置など）の外観を変更することによって、VRソフトウェア、プログラムの特定の運動シーケンスを使用し、これらのアクションを持つ参加者を習熟。さらに、他の所望の移動制約の参加者に通知します。例えば、現在の研究の参加者はターゲットに手を伸ばしながら、動きの垂直面内のすべてのアームセグメントを維持するように求めていました。 </li><li>参加者は、実験的な動き、レコードEMGとモーションキャプチャデータ、およびカスタムスクリプトやベンダー提供のソフトウェアパッケージを使用して信号を同期させることに慣れたら。所望の値に、各データ収集システムのサンプリングレートを調整します。さらにに慣れると、このようなモーショントラッキングなどの任意のメーカー固有のパラメータを調整する輝度のLED。 </li></ol></li></ol>

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著者には宣言すべき利益相反はありません。

この記事の目的は、人間の動きの研究と様々なデータストリームを同期させる方法にVRを組み込むための方法を記述することです。バーチャルリアリティは、実験室の設定で、実世界の動きのシナリオを再作成しようとする研究者の能力を拡大していきます。他の神経筋記録と刺激の方法論でVRを組み合わせることにより、総合的に人間の運動制御メカニズムを研究するための強力なツールスイートを形成しています。細心の注意を払って設計された実験中に得られた結果の多次元データセットは、運動の神経制御の理解を深めることができます。 このシステムのより重要な特徴の一つは、一般的なVR生成イベントで電気生理学的およびモーションキャプチャデータストリームを同期させる能力です。このプロトコールに記載されたカスタム回路は、他のexpの固有の要件を満たすように変更することができる柔軟な、費用対効果の基礎として機能します他の分野で9ソリューションに似erimentalパラダイムおよび装置、。一般的な同期イベントは、私たちのVRソフトウェアを動作するコンピュータから発信パラレル出力コマンドです。標準パラレルインター...

バーチャルリアリティ（VR）は、急速に人間の動きの研究を含め、多数のフィールドで使用するためのアクセス可能な研究ツールになってきています。上肢運動の研究では、特にVRを組み込むことによって恩恵を受けています。バーチャルリアリティは、腕の動きの制御の具体的な運動学的特徴と動的特徴を調査するために設計された実験パラメータの迅速なカスタマイズが可能になります。これらのパラメータは、個々に各被験者のために調整することができます。例えば、仮想ターゲットの位置が被写体で同じ初期アーム姿勢を確実にするためにスケーリングすることができます。 5 -仮想現実はまた、視覚運動研究1で非常に貴重なツールである、実験中の視覚的なフィードバックの操作を可能にします。 他の生体力学的ツールと現実的なVR環境の使用はまた、動きのパターンをテストするには自然な動きのシナリオを可能にします。この配置はますます貴重になってきています病気やけが6,7後のリハビリの研究と実践。臨床の場で自然な動きや環境（ 例えば仮想キッチンでの動きを実行する）を模倣することは、より正確には、実世界のコンテキストで個々の障害を記述するためにリハビリの専門家を有効にします。高度に個別減損の説明は、潜在的に有効性を増加し、リハビリの期間を減少させる、より集中治療戦略が可能になります。 そのような経頭蓋磁気刺激（TMS）、表面筋電図（EMG）、および全身モーションキャプチャなどの他のツールと​​のVRを組み合わせることで、人間の動きの神経筋制御を研究するための非常に強力で柔軟なプラットフォームを作成します。経頭蓋磁気刺激は、筋電図RESPONSを通じて（例えば皮質脊髄路）のモータ経路を降順の興奮性と機能的完全性を測定する強力な非侵襲的方法であり、モータなどのESは、電位（MEPを）8を誘発しました。現代の3次元モーションキャプチャシステムは、得られる運動運動学とダイナミクスと一緒に神経筋活動を研究する研究者を可能にします。これは、筋骨格系の非常に詳細なモデルを作成するだけでなく、神経のコントローラの構造と機能に関する仮説をテストすることを可能にします。これらの研究は、人間の感覚システムの私達の科学的知識を拡大し、筋骨格系および神経学的障害の治療の改善につながります。 しかしながら、多機能システムに一つの大きな問題は、別々に記録されたデータストリーム（例えば、モーションキャプチャ、EMG など ）の同期です。このプロトコルの目的は、同時に移動中に生体力学的および生理学的測定を記録するために一般的な商業的に利用可能なシステムの一般化配置を記述することです。からの装置を使用して、他の研究者異なるメーカーは、彼らの特定のニーズに合うように、このプロトコルの要素を変更する必要があります。しかし、このプロトコルからの一般的な原則はまだ適用可能であるべきです。

<table><tbody><tr><td>経頭蓋磁気刺激装置</td><td>マグスティム</td><td>N/A</td><td>TMS 刺激装置とコイル</td></tr><tr><td>インパルス X2</td><td>PhaseSpace</td><td>N/A</td><td>モーションキャプチャシステム</td></tr><tr><td>MA300 アドバンスドマルチチャンネル筋電計システム</td><td>モーションラボシステム</td><td>MA300-28</td><td>筋電図プリアンプとアンプ</td></tr><tr><td>ノロトロード筋電図電極</td><td>Myotronics</td><td>N/A</td><td>筋電図電極</td></tr><tr><td>BNC-2111シングルエンド、シールドBNC端子台</td><td>National Instruments</td><td>779347-01</td><td>BNC端子台</td></tr><tr><td>NI PXI-1033 5スロットPXIシャーシ、MXI-Expressコントローラ内蔵</td><td>National Instruments</td><td>779757-01</td><td>DAQシャーシ</td></tr><tr><td>NI PXI-6254 16ビット、1 MS/秒(マルチチャンネル)、1.25 MS/秒(1チャンネル)、32アナログ入力</td><td>National Instruments</td><td>779118-01</td><td>DAQカード</td></tr><tr><td>SHC68-68-EPM ケーブル (2m)</td><td>National Instruments</td><td>192061-02</td><td>シールドケーブル</td></tr><tr><td>DK1 または DK2</td><td>Oculus VR</td><td>N/A</td><td>Ocuclus Rift ヘッドセット</td></tr><tr><td>Vizard 5 Lite</td><td>WorldViz</td><td>N/A</td><td>バーチャルリアリティソフトウェア</td></tr><tr><td>C1 および C2 コンデンサ</td><td></td><td>N/A</td> R1 および R2 <td>に合うように値を調整</td></tr><tr><td></td><td></td><td>N/A</td><td>に合うように値を調整</td></tr><tr><td>CD4011 NANDゲート</td><td></td><td>N/A</td><td>NANDゲート</td></tr><tr><td>2N2222 トランジスタ</td><td></td><td>N/A</td><td>トランジスタ</td></tr><tr><td>NE555 タイマー回路</td><td></td><td>N/A</td><td>タイマー回路</td>N/Aタイマー回路</tr><tr><td>DB25およびUSBコネクタ</td><td></td><td>N/A</td><td>パラレルおよびUSBコネクタ</td></tr></tbody></table>

経頭蓋磁気刺激、電、モーションキャプチャ、およびバーチャルリアリティを用いたヒトモータ制御研究のための多機能のセットアップ

Multifunctional Setup for Studying Human Motor Control Using Transcranial Magnetic Stimulation, Electromyography, Motion Capture, and Virtual Reality

人間の動きの神経筋制御の研究では、多数の技術を用いて達成されます。神経筋機能を研究するための非侵襲的な方法は、経頭蓋磁気刺激、筋電図、3次元モーションキャプチャが含まれています。容易に入手可能であり、費用対効果の高いバーチャルリアリティ・ソリューションの登場は、実験室の設定で「現実世界」の環境や動きを再現するには、研究者の能力を拡大してきました。自然主義運動解析は、健康な個体におけるモータ制御のより深い理解を集めるだけでなく、実験や特定の運動障害（例えば脳卒中）を標的リハビリテーション戦略の設計が可能になるだけではなく。これらのツールを組み合わせて使用​​するには、モータ制御の神経機構のますますより深い理解につながります。これらのデータ収集システムを組み合わせた重要な要件は、様々なデータストリームとの間の微細な時間的な対応です。 T彼のプロトコルは、多機能なシステムの全体的な接続性、システム間のシグナリング、および記録されたデータの時間同期を説明しています。コンポーネントシステムの同期化は、主として容易に棚コンポー​​ネントと最小限の電子アセンブリのスキルをオフにして作られた、カスタマイズ可能な回路を使用することにより達成されます。

このセットアップでは、多数のデータストリームの同期は1つが上肢の運動中に発生する運動、連続筋活動（EMG）、および瞬時神経筋活動（欧州議会議員）を記録することができます。指定された動きの繰り返し試験は全体の動きを介してのMEP応答プロファイルを再構築する必要があります。一人の被験者から収集した4データが表示されます図。 図4（a）は、対応する同期信号やイベントを持つ単一の試験中、これらのデータ・ストリームの例を示しています。同期イベントについての信号の時間的位置合わせは、（信号は、共通の一時的なアンカーとして同期イベントを使用して、時間に「シフト」された）信号解析ソフトウェアを使用して、簡単な事後処置です。信号は、時間正規化し、各移動試験の継続時間によって行うことができます。同期なしでは、EMGとモーションキャプチャデータストリームは、GRとして、時間的矛盾を持つことができます160〜190ミリ秒のように食べます。しかし、広く使用されているTTLシグナルに加えて、同期化を利用することにより、ユーザーは、データがそれらの信号のサンプリング...

経頭蓋磁気刺激、筋電図、および3Dモーションキャプチャは、人間の神経筋機能を調査するために一般的に使用される非侵襲的技術です。このホワイトペーパーでは、これら3つのツールすべてによって生成されたデータを同期的にサンプリングするプロトコルと、仮想現実刺激のプレゼンテーションとフィードバックの独自の追加について説明します。

The study of neuromuscular control of movement in humans is accomplished with numerous technologies. Non-invasive methods for investigating neuromuscular ...

本実験の総合的な目的は、ヒトのバイオメカニクス研究において記録される複数のデータストリームを同期させるための汎用的な手法を提示することである。これは、筋電図およびモーションキャプチャの信号を用いて、2つ以上のシステムで独立して記録可能なアナログ同期イベントを生成することによって達成される。第二のステップとして、このイベントを各記録装置に適した信号に変換する単純な回路構成を設計することができる。次に、解析ソフトウェアを使用して、独立して記録された信号間の同期イベントを時間的に整合させ、すべての信号を同期させます。その結果、複数のバイオメカニカル信号をそれぞれのデータ記録システムのサンプリング周波数の範囲内で時間的に整合させることができ、神経筋肉制御を研究するための、人間の自然な動作に関する豊富な実験データセットの収集が可能になります。運動制御およびバイオメカニクスの分野には、研究室環境で人間の自然な動作を研究することによってのみ最適に解決できる、複雑な問いが数多く存在します。本稿では、仮想現実（VR）を用いて行動タスクを定義し、その間に複数の生理学的信号を同時に記録する方法について説明します。ハードウェアベースの行動実験装置などの既存の手法と比較して、VRベースの実験セットアップの利点は、異なる実験や個々の被験者の固有の解剖学的構造に非常に迅速に適応させることができる点にあります。行動実験においては、筋電図やモーションキャプチャなど、行動を定量化する複数の信号を同時に記録することが一般的です。本手法では、複数のメーカー間で互換性のあるカスタム同期ユニットを用いることで、これらの信号の時間的アライメントという課題に対する解決策を提供します。まず、アンプ、プリアンプ、センサーワイヤー、センサーパッドを含むEMG装置間のすべての必要な電気接続を、メーカーの仕様に従って行います。電極と皮膚間のインピーダンス値を低く一定に保つため、各電極貼付部位を清浄にします。次に、被験者に目的の個別の筋肉で等尺性収縮を行わせ、触診で確認した筋肉収縮部位にEMG電極を貼付します。その際、筋線維に沿ったアクティブサイトの向きに注意してください。接地電極は第7頚椎上の皮膚に貼付します。次に信号品質をテストするため、被験者が目的の各筋肉を収縮させている間に、コンピューター上で増幅されたEMG信号を確認します。最後に、行動タスクに必要な筋肉収縮時にEMG信号が飽和する場合は、増幅ゲインを下げます。まず、メーカーの指示に従って動作追跡カメラのキャリブレーションから始めてください。腕関節付近の骨標点や、指、手首、肩、胸部付近などのその他の関心のある解剖学的部位に、アクティブLEDセンサーをテープで固定します。仮想環境における視点を設定するため、別のLEDセンサーをバーチャルリアリティ（VR）ヘッドセットに取り付けます。その後、各LEDをワイヤレスドライバユニットに接続された配線ハーネスに接続します。ドライバーユニットの電源を入れ、すべてのLEDが適切に点灯していることを確認します。最後に、同期用LEDを被験者から離れた位置に配置し、かつモーションキャプチャカメラから明確に見えるようにします。まず、コイルを正確に配置できるよう、経頭蓋磁気刺激（TMS）装置およびソフトウェアのキャリブレーションを行います。これを行うには、キャリブレーションポインターを使用して、TMSコイルをNAS（鼻根）、耳前点、鼻尖などの解剖学的指標と共登録します。次に、ホットスポット法を用いて、運動誘発電位（MEP）の振幅が最大となる皮質上のTMS感受性領域を特定します。最小の刺激強度を用いて、校正済みのステレオタキシック登録装置およびソフトウェアにより、被験者の頭皮上の最適な刺激部位を記録します。最後に、選択した部位において、50%の確率で少なくとも50 µVのMEPが誘発されるまで刺激強度を下げ、被験者の閾値を測定します。まず、製造元のプロトコルに従って、行動タスク用のVR環境を構築します。ヘッドセットおよびモーショントラッキングシステムプログラムと互換性のある市販のVRソフトウェアを使用します。同期および特定の関心イベントのマーキングのために、パラレルポートを介してデジタル出力を行います。VR出力を同期回路および同期させるその他の機器に、適合するコネクタ付きのケーブルを用いて接続します。被験者に、VR内で行うタスクの内容について説明します。視野内に球状のターゲットが現れたら、それを指し示すよう被験者に指示してください。被験者がタスクを理解し、練習を行った後、単回のVR同期試行におけるEMGモーションキャプチャデータおよび同期信号の記録を開始します。ソフトウェアがEMG装置を起動し、上肢の動作中に発生した神経筋活動を示す信号を記録します。また、モーションキャプチャ装置を起動して、連続的な動作データを記録します。この信号は、EMGデータとモーションキャプチャデータの同期に使用できます。ここに示す通りです。1つのタスクにおける24回の試行を通じた平均的な角度キネマティクスとダイナミクス、およびそれに伴う連続的かつ瞬間的な神経筋肉活動を示します。バーチャルリアリティによって提供されるこれらの多次元データセットにより、研究者はヒトの特定の運動制御メカニズムを調査することが可能になります。このビデオを視聴することで、EMGやモーションキャプチャなど、ヒトの運動実験中に記録される複数のデータストリームを同期させる方法について、概括的な理解を得ることができます。この手順は、脳波測定（EEG）などの追加システムを組み込むように拡張することも可能です。さらに、末梢神経への電気刺激を用いることで、運動制御における感覚フィードバックの寄与度を、その発達後に評価することも可能です。この手法により、脳神経科学者は、脳卒中や脊髄損傷などの運動障害を持つ個体における、神経制御による運動の変化を探索する道を開きました。

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Research

JoVE Journal

Behavior

行動

出典: Stefanou, M., et.al.リアルタイム脳波検査による経頭蓋磁気刺激による脳状態依存性脳刺激。J. Vis. 経験。(2019年)このビデオは、皮質の興奮性を研究するためのリアルタイムの脳波トリガー経頭蓋磁気刺激 (TMS) のプロセスを示しています。この手順には、TMS コイルを運動皮質上に配置し、刺激を EEG 信号の特定の位相と同期させ、運動誘発電位 (MEP)...

皮質興奮のためのリアルタイム脳波検査による経頭蓋磁気刺激

出典: Charalambos, C. C., et al.ナビゲート経頭蓋磁気刺激を使用した足首筋の皮質脊髄経路の両側評価。J. Vis. 経験。(2019年)このビデオでは、経頭蓋磁気刺激 (TMS)...

経頭蓋磁気刺激を使用した皮質脊髄経路の評価

直立運動課題中の脳活動を監視することは、運動障害の神経源を調査する際に大きな価値があります。ここでは、機能的な近赤外分光法と、4種類の運動課題における筋肉および運動学的活動の継続的なモニタリングを組み合わせたプロトコルを実演します。...

運動課題中に同時キネマとEMGの監視と感覚運動の脳領域の機能的近赤外分光法

&gt;jove_content&lt;この記事では、インタラクティブな脳卒中後バランスリハビリテーションシステムのための新しい低コストのヒューマンマシンインターフェースを紹介します。このシステムは、自発的に駆動される電気治療パラダイムに向けて、既製の低コストセンサーを統合しています。概念実証ソフトウェアインターフェースは、健康なボランティアでデモンストレーションされています。...

脳卒中後のバランスリハビリテーションのための神経筋電気刺激システムで低コストのセンサーを統合ヒューマンマシンインターフェース

経頭蓋磁気刺激法(TMS)を使用して人間の運動制御を研究するには、TMSの送達を制御し、同時に人間の行動を記録するためのデータ収集システムの統合が必要です。本稿では、TMSを介した人間の動きを調査する目的で、データ収集システムを統合するための詳細な方法論を提供します。...

皮質脊髄出力とマルチセグメントのバイオメカニクスを研究するために、複数のデータ・アクイジション・システムを組み合わせます

本論文では、リアルタイムの脳波撮影を誘発する経頭蓋磁気刺激を用いて、ヒトの脳ネットワークを研究し、調節する。...

リアルタイム脳波による脳血管刺激による脳状態依存性脳刺激-経頭蓋磁気刺激

この記事では、経頭蓋磁気刺激を用いて機能的に特異的な神経経路を測定し、強化するための新しいアプローチについて説明します。これらの高度な非侵襲的な脳刺激方法論は、脳と行動の関係を理解し、脳障害を治療するための新しい治療法の開発のための新しい機会を提供することができます。...

経頭蓋磁気刺激によるヒト運動系における機能的特異的神経経路の測定と操作

目標は、一方的な空間無視、急性脳卒中生存者の23〜46%に影響を与える症候群を検出し、特徴付ける新しいバーチャルリアリティタスクを設計、構築、および試験し、神経疾患の研究と管理におけるバーチャルリアリティの役割を拡大することでした。...

一方的な空間無視を評価するためのバーチャルリアリティツール:データ収集のための新しい機会

ここで説明するプロトコルは、上肢欠損の定量的評価を強化することを目的としており、クリニックと自宅の両方でリモート評価のための追加技術を開発することを目的としています。バーチャルリアリティとバイオセンサー技術を標準的な臨床技術と組み合わせて、神経筋系の機能に関する洞察を提供します。...

仮想修正ボックスおよびブロックテスト中の運動と筋肉活動の定量的評価のためのセットアップ

バーチャルリアリティ環境での運動イメージは、ブレイン・コンピュータ・インターフェース・システムにおいて幅広い用途があります。この原稿では、参加者が想像した動きをバーチャルリアリティ環境で行うのに似たパーソナライズされたデジタルアバターを使用して、没入感と身体の所有権を高める方法について概説しています。...

バーチャルリアリティ対応のブレインコンピュータインターフェース環境における具現化されたデジタルツインによる運動イメージ性能

ここでは、筋電図検査 (EMG) と組み合わせた経頭蓋磁気刺激 (TMS)...

経頭蓋磁気刺激と筋電図検査の組み合わせによる一次運動皮質の興奮性と興奮性調節の評価

学ぶ 経頭蓋磁気刺激、筋電図、3Dモーションキャプチャを同期させる手法。バーチャルリアリティを用いてヒトの自然な運動における神経筋制御を研究し、生体力学の複雑な課題に対応する包括的データ収集を実現します。

経頭蓋磁気刺激、電、モーションキャプチャ、およびバーチャルリアリティを用いたヒトモータ制御研究のための多機能のセットアップ

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